import com.sun.jmx.remote.internal.ArrayQueue;

import java.util.LinkedList;
import java.util.Objects;
import java.util.Queue;
import java.util.Stack;

/**
 * 二分搜索树存储的元素必须满足可比较性
 *
 * @param <E>
 */
public class BST<E extends Comparable<E>> {
    private class Node {
        public E e;//节点存储的元素
        public Node left, right;//节点的左孩子和右孩子

        public Node(E e) {
            this.e = e;
            left = null;
            right = null;
        }
    }

    private Node root;//根节点
    private int size;//存储元素数量

    public BST() {
        this.root = null;
        size = 0;
    }

    public int size() {
        return size;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    /**
     * @param e
     */
    public void add(E e) {
        root = add(root, e);
    }

    /**
     * 向以node 为根节点的二分搜索树中插入元素E， 递归算法
     *
     * @param node
     * @param e
     * @return 返回插入新节点后二分搜索树的根
     */
    private Node add(Node node, E e) {
        if (node == null) {//递归终止条件
            size++;
            return new Node(e);
        }
        //调用递归方法
        if (e.compareTo(node.e) < 0) node.left = add(node.left, e);
        else if (e.compareTo(node.e) > 0) node.right = add(node.right, e);
        return node;//不管在这段逻辑中，二分搜索树产生了什么变化，返回根
    }

    /**
     * 查看二分搜索树中是否包含元素e
     *
     * @return
     */
    public boolean contains(E e) {
        return contains(root, e);
    }

    /**
     * 查看以node为根节点的二分搜索树中是否包含元素e，递归算法
     *
     * @param node
     * @param e
     * @return
     */
    private boolean contains(Node node, E e) {
        if (node == null) return false;
        if (node.e.compareTo(e) == 0) return true;
        if (node.e.compareTo(e) > 0) return contains(node.left, e);
        return contains(node.right, e);
    }

    /**
     * 二分搜索树的前序遍历：用户方法
     */
    public void preOrder() {
        preOrder(root);
    }

    /**
     * 前序遍历以node为根的二分搜索树，递归算法
     *
     * @param node
     */
    private void preOrder(Node node) {
        if (node == null) return;
        System.out.println(node.e);
        preOrder(node.left);
        preOrder(node.right);
    }

    /**
     * 二分搜索树的非递归前序遍历
     * 这种方式也称为深度优先遍历
     */
    public void preOrderNR() {
        Stack<Node> stack = new Stack<>();
        stack.push(root);

        while (!stack.isEmpty()) {
            Node cur = stack.pop();
            System.out.println("cur.e = " + cur.e);
            if (cur.right != null) stack.push(cur.right);
            if (cur.left != null) stack.push(cur.left);
        }
    }

    /**
     * 层序遍历（广度优先遍历）：借助队列实现
     */
    public void levelOrder() {
        Queue<Node> queue = new LinkedList<>();
        queue.offer(root);

        while (!queue.isEmpty()) {
            Node cur = queue.poll();
            System.out.println("cur.e = " + cur.e);
            if (cur.left != null) queue.offer(cur.left);
            if (cur.right != null) queue.offer(cur.right);
        }
    }

    /**
     * 寻找二分搜索树的最小元素
     *
     * @return
     */
    public E minimum() {
        if (size == 0) throw new IllegalArgumentException("BST is empty");
        return minimum(root).e;
    }

    /**
     * 寻找以node为根节点的二分搜索树的最小值所在的节点
     *
     * @param node
     * @return
     */
    private Node minimum(Node node) {
        if (node.left == null) return node;
        return minimum(node.left);
    }

    /**
     * 寻找二分搜索树的最大元素
     *
     * @return
     */
    public E maximum() {
        if (size == 0) throw new IllegalArgumentException("BST is empty");
        return maximum(root).e;
    }

    /**
     * 寻找以node为根节点的二分搜索树的最大值所在的节点
     *
     * @param node
     * @return
     */
    private Node maximum(Node node) {
        if (node.right == null) return node;
        return maximum(node.right);
    }

    //从二分搜索树中删除最小值所在的节点，返回最小值
    public E removeMin() {
        E ret = minimum();
        root = removeMin(root);
        return ret;
    }

    //删除掉以node为根的二分搜索树中的最小节点
    //返回删除节点后新的二分搜索树的根节点
    private Node removeMin(Node node) {
        if (node.left == null) {
            //node是待删除节点
            Node rightNode = node.right;
            node.right = null;
            size--;
            return rightNode;
        }
        node.left = removeMin(node.left);
        return node;
    }

    //从二分搜索树中删除最大值所在节点
    public E removeMax() {
        E ret = maximum();
        root = removeMax(root);
        return ret;
    }

    //删掉以node为根的二分搜索树中的最大节点
    //返回删除节点后新的二分搜索树的根
    private Node removeMax(Node node) {
        if (node.right == null) {
            Node leftNode = node.left;
            size--;
            node.left = null;
            return leftNode;
        }
        node.right = removeMin(node.right);
        return node;
    }

    //从二分搜索树中删除元素为e的节点
    public void remove(E e) {
        root = remove(root, e);
    }

    //删除掉以node为根的二分搜索树中值为e的节点，递归算法。
    //返回删除节点后新的二分搜索树的根
    private Node remove(Node node, E e) {
        if (node == null) return null;
        if (e.compareTo(node.e) < 0) {//在左子树找
            node.left = remove(node.left, e);
            return node;
        } else if (e.compareTo(node.e) > 0) {
            node.right = remove(node.right, e);
            return node;
        } else {//e==node.e
            if (node.left == null) {//待删除的节点左子树为空的情况
                Node rightNode = node.right;
                node.right = null;
                size--;
                return rightNode;
            }
            if (node.right == null) {//待删除的节点右子树为空的情况
                Node leftNode = node.left;
                node.left = null;
                size--;
                return leftNode;
            }
            //待删除的节点左右子树均不为空的情况
            //找到比待删除节点大的最小节点，即待删除节点右子树的最小节点,并删除掉这个后继节点
            //用这个节点顶替待删除节点的位置
            Node successor = minimum(node.right);
            successor.right = removeMin(node.right);
            successor.left = node.left;
            node.left = node.right = null;
            return successor;

        }
    }


    /**
     * 二分搜索树的中序遍历
     */
    public void inOrder() {
        inOrder(root);
    }

    /**
     * 中序遍历以node 为根的二分搜索树，递归算法
     * 重要性质：中序遍历的结果就是整个二分搜索树排序后的结果
     *
     * @param node
     */
    private void inOrder(Node node) {
        if (node == null) return;
        inOrder(node.left);
        System.out.println(node.e);
        inOrder(node.right);
    }

    /**
     * 后序遍历的一个应用：为二分搜索树释放内存
     */
    public void postOrder() {
        postOrder(root);
    }

    private void postOrder(Node node) {
        if (node == null) return;
        postOrder(node.left);
        postOrder(node.right);
        System.out.println("node = " + node.e);
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        generateBSTString(root, 0, res);
        return res.toString();
    }

    /**
     * 生成以node 为根节点，深度为depth的描述二叉树的字符串
     *
     * @param node
     * @param depth
     * @param res
     */
    private void generateBSTString(Node node, int depth, StringBuilder res) {
        if (node == null) {
            res.append(generateDepthString(depth) + "null\n");
            return;
        }
        res.append(generateDepthString(depth) + node.e + "\n");
        generateBSTString(node.left, depth + 1, res);
        generateBSTString(node.right, depth + 1, res);
    }

    /**
     * @param depth
     * @return
     */
    private String generateDepthString(int depth) {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < depth; i++) res.append("--");
        return res.toString();
    }
}
